Secondo una leggenda manoscritta del XII secolo la chiesa cattedrale di Asolo sarebbe stata fondata da S. Prosdocimo, vescovo di Padova, nel corso della sua evangelizzazione del territorio veneto.
Se nessun elemento può suffragare la veridicità di questa tradizione tarda, pare invece verosimile porre come terminus ante quem per la costruzione del più importante edificio di culto cittadino il 590; l'esistenza a quell'anno di un vescovado facente capo ad Asolo, esistenza registrata in documenti ufficiali, implica infatti anche la presenza di un complesso religioso quale fulcro dell'episcopio.
La particolare posizione topografica in seno alla città, la sua connotazione come sede vescovile testimoniata anteriormente al 969, anno della fine della diocesi, la titolazione a S. Maria Assunta spesso riservata alle primitive cattedrali e anche motivi di carattere archeologico fanno pensare che fosse precisamente l'odierna cattedrale la primitiva sede del vescovado e la più importante chiesa cittadina.

A una datazione alta del primitivo edificio di culto nel sito attuale sembra far pensare anche la diretta sovrapposizione tra il più antico pavimento della chiesa (rilevato durante lavori di scavo) e articolate strutture romane in situ.
La prima citazione esplicita del complesso si ha solo nel 969, quando viene espressamente nominata, in connessione al castrum Asili , l'Ecclesia in honore Beatae Virginis Mariae constructa.
Nulla si sa delle fabbriche della chiesa almeno fino al 1200 quando alcuni labili indizi possono far proporre una struttura notevolmente più bassa della moderna e ad una sola navata con cappelle laterali.
Nel 1584, secondo la descrizione di una visita pastorale, la chiesa doveva avere assunto all'incirca la struttura che ancor oggi si può vedere, mentre una significativa risistemazione avvenne nel 1606, in seguito ad un disastroso crollo del tetto che costrinse la comunità asolana ad una ricostruzione della copertura su disegno del Massari, dell'abside e dell'altare maggiore.
Altri interventi risalgono al 1747, quando la copertura a capriate lignee venne sostituita da crociere e i pilastri in mattoni da quelli in pietra, e al 1810 con il rifacimento completo del pavimento.
L'aspetto attuale della facciata, variamene elaborata dal Medioevo in poi, è dovuta a un intervento portato a termine nel 1889 su progetto di Pietro Saccardo, che giustappose il paramento visibile alla vecchia facciata, obliterando di fatto, ma non eliminando, quest'ultima.
Fino al 1815, allorché per le disposizioni napoleoniche i morti dovettero essere sepolti al di fuori delle città, la chiesa era circondata sui lati sud ed ovest da un piccolo cimitero.